二维声子晶体点缺陷间的耦合特性

以二维铝圆柱/空气正方格子声子晶体为研究对象,采用平面波法结合超元胞的方法研究了点缺陷问的耦合特性.结果表明,在(1 0)或(0 1)方向,两点缺陷因耦合将造成缺陷模的分离,分离宽度随两点缺陷距离的增加而减小,同时缺陷附近模场的分布也发生变化;在(1 1)方向因局域声子声场的迅速衰减而使局域声子间的耦合非常弱,即使缺陷间的距离非常小.局域声子的这些耦合特性在声方向滤波器、窄带声波导方面将有很大的应用价值.     

二维十字排列椭圆孔声子晶体带隙研究

采用有限元及实验方法,研究二维十字排列椭圆孔声子晶体中弹性波传播的带隙以及人为引入的夹杂对带隙的调控. 当声子晶体薄板沿板厚方向均匀施加面内激励时,将激发面内的动力响应,对应于平面应力状态. 基于逆向思维,针对二维十字排列椭圆孔声子晶体薄板,建立平面有限元模型,计算该模型沿晶格ΓX方向的波动传输特性,分析孔洞长短轴之比、孔隙率和线缺陷等因素对带隙及弹性波传播特性的影响. 制作与计算模型同尺寸的声子晶体试样进行传输特性实验,测试结果与有限元仿真结果吻合. 结果表明,带隙的宽度随着椭圆孔长短轴比例的增加而增大,可以通过引入合适的线缺陷来反向调控声子晶体的带隙.     

Acoustic Tamm states in double 1D phononic crystals

A simple planar multilayer structure was proposed for the observation of acoustic Tamm states.The theoretical and experimental studies show that acoustic Tamm states can be formed at the interface between double one-dimensional phononic crystals with extremely narrow cavity between them.When the width of the cavity increases,the acoustic Tamm states gradually disappear and the cavity resonant states appear instead.By studying the field distribution,we give the physical explanation for the two different acoustic interface states.     

三种缺陷态光子晶体的比较研究

利用光学传输矩阵法对3种基于均匀结构光子晶体的一维缺陷态光子晶体进行了比较研究.研究发现,对于每种结构,当缺陷介质层厚度变大时,缺陷模中心波长向长波区移动,且缺陷模式的带宽随之增加,当缺陷层介质厚度增加到一定数值时会出现多个缺陷模.对于缺陷层两侧为高折射率介质层的结构一和结构三,缺陷模波长与缺陷层厚度呈非线性比例增加关系;对于缺陷层两侧为低折射率介质层的结构二,缺陷模波长与缺陷层厚度呈线性比例增加关系.对于结构一和结构三,在特定的中间缺陷层厚度时光子禁带区内的缺陷模会消失,而对于结构二,禁带区域内始终存在缺陷模式.     

各向异性材料一维光子晶体的传输特性研究

为研究由电各向异性材料和磁各向异性材料构建的一维光子晶体的电磁传输特性,分析了不同电等离子体频率和磁等离子体频率对TE极化波和TM极化波禁带宽度的影响规律。结果表明,磁等离子体频率对TE极化波及TM极化波的禁带宽度有较大的调节作用。当电导率和磁导率都为正的各向同性材料缺陷结构引入到光子晶体中时,会有电磁缺陷模式出现,而且缺陷模式的频率随缺陷厚度的增加而降低,同时缺陷的厚度对TM极化波缺陷模式的调谐作用大于对TE极化波的调谐作用,这对滤波器的频率调节具有潜在的应用价值。     

Band gaps of elastic waves in 1-D phononic crystals with imperfect interfaces

Band gaps of elastic waves in 1-D phononic crystals with imperfect interfaces were studied.By using the transfer matrix method(TMM) and the Bloch wave theory in the periodic structure,the dispersion equation was derived for the periodically laminated binary system with imperfect interfaces(the traction vector jumps or the displacement vector jumps).The dispersion equation was solved numerically and wave band gaps were obtained in the Brillouin zone.Band gaps in the case of imperfect interfaces were compared...     

散射体旋转角对二维声子晶体带隙结构影响分析

为探讨散射体旋转作用对于弹性波在声子晶体中的传播特性产生的影响,采用平面波展开法将散射体与晶格轴线夹角因素引入结构函数,研究了在不同填充率下,伴随着旋转角的变化,正方形、椭圆形、正六边形散射体禁带出现的位置及宽度变化情况。研究结果表明：散射体旋转角度对二维声子晶体带隙结构具有显著影响,并且散射体旋转角对正六边形、正方形散射体的影响明显大于对于椭圆形散射体的影响;然而,无论散射体取为何种形状,旋转角度对声子晶体产生禁带的位置（禁带中间频率）影响并不明显。     

Study on the vibration band gap and vibration attenuation property of phononic crystals

Phononic crystals (PCs) are functional materials with periodic structures and elastic wave (vibration) band gaps, where propagation of vibrations with frequencies within band gaps is forbidden. PCs with finite periods can restrain the propagation of vibrations with frequencies in band gaps and thus has vibration attenuation property. Worldwide, many institutions and researchers are engaged in the research of PCs, however, studies on the vibration attenuation property of PCs are still limited. In this paper, we report our study of band gaps and vibration attenuation properties of 1) a simplified PC—periodic mass-spring structures, 2) longitudinal vibration of one-dimensional (1D-), 2D-, 3D-PCs, and 3) the flexural vibration of 1D-and 2D-PCs. These studies provide a foundation for the applications of PCs in vibration attenuation. Supported by the 973 State Key Development Program for Basic Research of China (Grant No. 51307) Received September 27, 2005; accepted April 16, 2007     

二维非线性光子晶体点缺陷的双稳态特性

采用时域有限差分技术分析了非线性光子晶体点缺陷的双稳态特性,选择一定频率失谐的连续波入射并观察透射现象.分析发现,当连续波功率增加到阈值点时透射率达到最大值.采用大功率脉冲辅助连续波的方式发现点缺陷的透射率一直处于高透射状态,直至连续波功率下降到很低时,透射率才迅速下降.双稳态特性由频率失谐δ、缺陷谐振频率ω0及非线性系数n2等3个参数决定.采用空间电磁场的摄动理论验证所得结果与数值模拟结果一致.     

一类局域共振型声子晶体梁的带隙分析

针对局域共振带隙生成机理问题,给出一类由树脂基体、硫化橡胶套和铅套所构成的一维局域共振型声子晶体梁结构,并对其弯曲振动传输特性进行有限元分析,研究带隙起止频率的形成机理,给出相应的简化计算模型.结果表明:该声子晶体梁能够产生低频带隙;带隙的起始频率由局域振子的摆动模式决定,相邻振子间相位排列关系不具有明显的规律性;带隙...     

声波在流固耦合声子晶体中的传播特性

利用平面波展开方法计算了二维正方晶格钢/水声子晶体的能带结构.在(206.2~280.1)kHz频率范围内存在完全带隙, 沿着布里渊区(Brillouin)2个高对称方向ΓΧ、ΓΜ的方向带隙分别为(138.5~280.1)kHz和(206.2~287.1)kHz.利用有限元软件Abaqus计算了完美周期和含有缺陷态的声子晶体的传输谱曲线.对完美周期声子晶体, 在带隙频率范围内声波有较大衰减;而含有线缺陷的声子晶体的透射幅值在带隙频率范围内增大, 导波作用明显;在225.9kHz频率时声波在声子晶体中传播的压力场仿真进一步说明了波沿线缺陷传播形成波导结构.基于超声浸水透射技术, 实验测试了声波在声子晶体中传播的带隙及缺陷态特征.结果表明:测试结果与理论计算及有限元方法仿真的结果基本吻合.     

准周期性对光子晶体缺陷模的影响

利用传输矩阵法研究了Bragg镜的准周期性对光子晶体缺陷模的影响。研究表明,无论是高折射率介质层还是低折射率介质层,当其折射率或厚度按一定的递变规律递增时,缺陷模都将向低频方向移动,递减时则向高频方向移动。但对缺陷模品质因子的影响却不同,高折射率介质层的折射率递增时品质因子提高,递减时品质因子减小;但低折射率介质层的折射率递变时品质因子的变化规律刚好相反;而介质层厚度的递变几乎不影响品质因子。此外还研究了准周期性对缺陷层内电场增强效应的影响。     

准周期性对光子晶体缺陷模的影响

利用传输矩阵法研究了Bragg镜的准周期性对光子晶体缺陷模的影响.研究表明,无论是高折射率介质层还是低折射率介质层,当其折射率或厚度按一定的递变规律递增时,缺陷模都将向低频方向移动,递减时则向高频方向移动.但对缺陷模品质因子的影响却不同,高折射率介质层的折射率递增时品质因子提高,递减时品质因子减小;但低折射率介质层的折射率递变时品质因子的变化规律刚好相反;而介质层厚度的递变几乎不影响品质因子.此外还研究了准周期性对缺陷层内电场增强效应的影响.     

光纤弯曲损耗对信号传输的影响与分析

光纤传输质量受光纤损耗的影响,分析与测试光纤的损耗对实际应用有参考价值.由于光纤弯曲改变了传导模的形式,使光信号在弯曲部分产生了辐射损耗,信号传输距离和接收灵敏度将受到不同程度的影响.系统对单模光纤弯曲损耗随弯曲半径(1～9 mm)进行90°和180°的弯曲实验,结果显示,光纤弯曲损耗随弯曲半径的增加呈下降趋势,光纤弯曲对不同波长的光损耗不同,且出现弯曲损耗的振荡,并进行了数值仿真和实验数据的比较.     

一维杆状Thue-Morse(TM)准周期结构声子晶体带隙特性的研究

提出了一维杆状TM准周期结构声子晶体模型,采用有限元法计算了其带隙特性并与周期结构进行了比较。研究表明,TM序列准周期结构声子晶体可以有效地拓宽带隙宽度且能降低起始频率,而且在带隙范围内产生了具有高品质因子的局域共振模;此外还发现,不同代次的TM序列、不同排序的材料组合都不影响其带隙范围,但改变材料参数(密度和弹性模量)却能改变其带隙范围。此研究可供其在减振降噪、滤波、波导等方面的设计和实际应用参考。     

基于达朗伯行波法的光导开关传输线研究

提出了利用达朗伯公式行波法分析光导开关传输线的新方法,建立了电磁波时域有限差分中边界条件及源的设置方法.利用时域有限差分法分析了普通微带线产生脉冲的瞬态过程,得到了Blumlein线几何结构与输出脉冲幅度的比例关系,提出并分析了一种可以产生双极性电脉冲的光导开关传输线.仿真和实验结果良好的一致性证明了达朗伯公式行波法结合时域有限差分法可以从电磁场角度研究并精确分析脉冲产生电路.     

节点刚度缺陷对柱面索撑网壳稳定性的影响

为研究装配式节点的初始刚度缺陷对索撑网壳稳定性能的影响,分别对各节点具有相同刚度偏差和随机刚度偏差的柱面索撑网壳进行了非线性全过程计算,分析了结构的失稳机理与破坏模式.并基于节点刚度不对称度β的概念,提出了柱面索撑网壳失稳模式的判别方法,为初始刚度缺陷的控制标准提供了依据.研究结果表明:对于沿两纵边支承的柱面索撑网壳,...     

硅晶体热导率及点缺陷散射影响的分子动力学模拟

由于材料中存在的缺陷结构会对材料的导热性能造成影响,本文应用逆非平衡分子动力学方法对硅材料的热导率及空位缺陷、间隙原子两种点缺陷结构对材料热导率的影响进行模拟研究.模拟结果表明:由于点缺陷存在时声子与缺陷间的散射作用,材料热导率随两种点缺陷浓度的增加逐渐减小,低缺陷浓度使得材料热导率有更大幅度的降低,随缺陷浓度增加,热导率降低的幅度逐渐平缓;当材料中存在相对较高缺陷浓度时,温度对热导率不再具有显著影响.通过对热阻的分析得出,各温度下含两种点缺陷结构时的相对热阻增量均与所考虑的点缺陷浓度呈线性关系.进一步由此宏观量间的线性关系揭示出微观层面声子、缺陷散射的平均自由程与点缺陷浓度间的反比关系.以线性关系的斜率作为衡量点缺陷对材料热阻(热导率)影响程度大小的影响因子,两种点缺陷的影响因子均随温度的升高而降低,而间隙原子对材料热导率有相对更大的影响.     

压电陶瓷二维裂纹问题的对偶方程及其解析解

为了探求压电材料平面动态断裂力学问题的有效求解方法,引入势函数表示压电材料的基本微分方程,采用半无限对称的Fourier正弦变换和Fourier余弦变换的方法对微分方程进行变换,建立了二维压电材料Ⅰ型裂纹问题的对偶方程,求得应力强度因子和电位移强度因子的解析解.结果表明该研究方法是可行的,为研究压电介质内的动态耦合场问题奠定了基础.     

啁啾对飞秒脉冲在光子晶体光纤中传输的影响

采用广义非线性薛定谔方程描述啁啾对飞秒脉冲在光子晶体光纤中传输特性的影响,利用对称分步傅里叶方法通过求解方程,数值计算了有无啁啾情况下相同脉宽和功率、不同入射波长飞秒脉冲在光子晶体光纤中的传输,对比不同色散区飞秒脉冲波形的演化及超连续谱的产生。结果表明,较低功率时,反常色散区和零色散区,初始啁啾对于孤子的快速形成和传输具有重要的作用,而位于正常色散区时,啁啾破坏了脉冲形状,不利于脉冲的传输。反常色散区和正常色散区啁啾有利于频谱的展宽;零色散区,啁啾对频谱展宽影响不明显。较高功率时,频谱展宽主要受功率影响,啁啾对频谱展宽作用不大。这些结论对于脉冲传输和超连续谱系统优化设计和控制具有理论指导意义。